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虛實(shí)結(jié)合的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究論文
本文介紹了一種虛實(shí)結(jié)合的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使用xilinx公司的system generator工具，在simulink環(huán)境中搭建虛擬的通信模型，完成仿真后生成可下載文件，在FPGA中運(yùn)行，在實(shí)際的硬件電路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為通信原理的實(shí)驗(yàn)方法提供了一條新的思路。
1.引言
通信原理課程是通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，由于課程內(nèi)容理論要求高，知識(shí)背景廣，同時(shí)又具有很強(qiáng)的工程背景，需要大量的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)其知識(shí)體系進(jìn)行補(bǔ)充。良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)置不僅僅需要幫助學(xué)生鞏固課堂上的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，同時(shí)還需要引入工程的思想引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際通信電路的設(shè)計(jì)、分析、調(diào)試等種種問題。
本文提出了一種新的實(shí)驗(yàn)思路，利用xilinx公司提供的system generator工具，可以在simulink的庫中搭建開發(fā)好的模塊，組成通信模型，進(jìn)行仿真并可以使用虛擬器進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)，可以生成HDL文件，編譯后下載到FPGA中執(zhí)行，運(yùn)行在實(shí)際的硬件電路上。
2.虛擬實(shí)驗(yàn)仿真
實(shí)驗(yàn)的第一步是在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行，其設(shè)計(jì)是在simulink的環(huán)境下完成的，實(shí)現(xiàn)的方式完全和在simulink中一樣，通過拖拽模塊和連線，就能完成系統(tǒng)的搭建。學(xué)生可以自己構(gòu)建多種通信系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，通過虛擬儀器分析信號(hào)的波形和頻譜，理解通信原理中的理論知識(shí)。圖 1是在simulink環(huán)境下搭建的一個(gè)基本的QPSK調(diào)制系統(tǒng)，調(diào)用了xilinx公司的DDS、乘法器、加法器模塊，整個(gè)設(shè)計(jì)過程和通用的虛擬環(huán)境基本一致，通過simulink中提供的示波器，頻譜儀等模塊，可以觀測(cè)到整個(gè)調(diào)制的過程。
可以看出使用system generator工具所搭建的通信系統(tǒng)完全可以基于虛擬環(huán)境使用，豐富的虛擬設(shè)備可以讓學(xué)生清晰而直觀地觀察信號(hào)，不受硬件設(shè)備的限制，不需擔(dān)心設(shè)備損壞的問題，降低學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的畏難情緒，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
3.硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
在學(xué)生通過自己動(dòng)手完成虛擬系統(tǒng)的搭建，掌握了基本系統(tǒng)原理，觀測(cè)了相關(guān)信號(hào)的波形，調(diào)試成功后，就可以直接在simulink環(huán)境中生成 NGC或HDL文件，生成可下載文件，在硬件中運(yùn)行。硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)因素：(1)必須要滿足通信原理課程的要求，鞏固學(xué)生的理論知識(shí)。(2)能夠進(jìn)行綜合性及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，滿足二次開發(fā)的要求。(3)便于故障排除和維護(hù)，減輕日常實(shí)驗(yàn)室工作強(qiáng)度。
基于以上的考慮，系統(tǒng)的硬件采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，使用了母板+子板的設(shè)計(jì)方案。母板上使用了一片Xilinx公司的spartan 6系列FPGA，子板設(shè)計(jì)了AD、DA、音頻、放大器等常用的模塊。兩者通過digilent公司的PMOD接口連接。母板可以通過板子周邊的PMOD接口連接DA子板，將調(diào)制好的信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，由子板接口輸出，通過示波器進(jìn)行觀測(cè)。
結(jié)論
采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式可以結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，虛擬實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)驗(yàn)形式靈活，虛擬模塊和設(shè)備齊全，實(shí)驗(yàn)成本低，效率高，便于學(xué)生理解通信系統(tǒng)的基本原理。而實(shí)際硬件上的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生切實(shí)地感受真實(shí)的電路、元件、測(cè)量儀器，真正地提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。因此，讓學(xué)生首先在虛擬環(huán)境中自己動(dòng)手搭建系統(tǒng)，掌握了基本的原理之后，在通過system generator提供的工具直接生成可下載文件在硬件電路中運(yùn)行，在真實(shí)的電路板上調(diào)試，使用真實(shí)的儀器進(jìn)行觀測(cè)，給予學(xué)生直觀的認(rèn)識(shí)。通過這樣既加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)基本原理的理解，有培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，使之成為既具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又有很強(qiáng)動(dòng)手能力的創(chuàng)新型人才。
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